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“9º Congreso Nacional de Minería”"Comprometidos con el crecimiento sostenible del país

CLASIFICACION GEOMECANICA Y SU APLICACIÓN

Por: ING. PEDRO SAMANE TUNI

Trujillo - Octubre - 2012


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INTRODUCCION CONSTRUCCIÓN DE OBRAS SUBTERRÁNEAS POR EL MÉTODO

CONVENCIONAL DE PERFORACIÓN Y VOLADURA

El personal de una mina debe estar familiarizado con las características ycondiciones de la masa rocosa propias de su mina, los peligros potenciales quepodrían causar accidentes.

Permitirá tomar decisiones correctas sobre diferentes aspectos relacionadoscon las labores mineras, entre otras, se podrá establecer la dirección en la cualse deben avanzar las excavaciones, el tamaño de las mismas, el tiempo de

exposición abierta de la excavación, el tipo de sostenimiento a utilizar y elmomento en que éste debe ser instalado.


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METODOLOGIA DE DISEÑO Y PRINCIPIOS DE LA INGENIERIA DE ROCAS. Bieniawski 1992, Diseño Estructural Activo DEA (Celada 2001)


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CLASIFICACIONES GEOMECÁNICAS EN EXCAVACIONESSUBTERRANEAS.

Parámetros de Clasificación RMR (Bieniawski, 1989)


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Correlación de RMR y Q Fuente Comentarios RMR= 9 Ln e Q + 44 Origen diverso TúnelesRMR= 13.5 log Q + 43 Nueva Zelandia TúnelesRMR= 12.5 log Q + 55.2 España TúnelesRMR= 5 Ln

e Q + 60.8 África del sur Túneles

RMR= 43.89 - 919 Ln e Q España Mina roca suaveRMR= 10.5 Ln e Q + 41.8 España Mina roca suaveRMR= 12.11 log Q + 50.81 Canadá Mina roca duraRMR= 8.7 Ln e Q + 38 Canadá Túneles, roca sedimentariasRMR= 10 ln e Q + 39 Canadá Mina roca dura

Fuente: Choquet y Hadjigeorgiou, 1993


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Esta clasificación geomecánica se basaen el índice de calidad “Q”denominado también índice de calidadtunelera, que da una estimación de lacalidad del macizo rocoso, teniendo encuenta los siguientes factores:

Dónde:

RQD: Designación de calidad de roca.

Jn: Número de familias dediscontinuidad

Jr : Rugosidad de las juntas

Ja: Alteración de las juntas

Jw: Factor de reducción porpresencia de aguas

SRF: Factor de reducción poresfuerzos (zonas de corte,fluencia, expansividad,tensiones (“in situ”).

CLASIFICACIÓNGEOMECÁNICA Q DE BARTON

RQD/Jn: Tamaño de bloques, representa laestructura global del macizo rocoso.

Jr/Ja: Reúne términos de rugosidad, fricción yrelleno de las juntas y representa laresistencia al corte entre bloques.

Jw/SRF: Combina condiciones de agua, tensión ypor tanto, puede representar unatensión activa o eficaz.


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EL FACTOR DE TENSIONES (SRF) EN ROCAS DURAS

El rango de valores del factor SRF en rocas afectadas por tensiones elevadas

es difícil de estimar mediante observaciones visuales. Siempre que sea

posible, el factor SRF debe estimarse a partir de la relación entre la tensióntangencial y la resistencia a compresión simple, tal y como muestra la Tabla.

Tensiones tangenciales máximas (бθ), la resistencia a compresión (бc), el

nivel de tensiones principales máximas para el macizo virgen (б1), y el

sostenimiento aplicado. Se encontró que la reducción de la relación бc/б1

corresponde de forma muy aproximada con aumentos en la relación бθ/бc.

NIVEL TENSIONAL бc/б 1 бθ/бc SRF(antiguo) SRF(actual)

Tensiones pequeñas, cerca de la superficie, fracturas abiertas. > 200 < 0,01 2,5 2,5

Tensiones medias, condiciones tensiónales favorables. 200 - 10 0,01 - 0,3 1 1

Tensiones elevadas, estructura muy comprimida. Normalmente, favorable para la estabilidad, quizás

desfavorable para la estabilidad de los hastiales.

10 - 5 0,3 - 0,4 0,5 - 2 0,5 - 2

Descostramiento moderado (Slabbing) después de 1 hora enrocas masivas.

5 - 3 0,5 - 0,65 5 - 9 5 - 50

Descostramiento y estallidos de la roca (Rock burst) despuésde algunos minutos en rocas masivas. 3 - 2 0,65 - 1,0 9 - 15 50 - 200

Estallidos violentos de roca (tensión-estallido) ydeformaciones dinámicas inmediatas en rocas masivas. < 2 > 1,0 15 - 20 200 -400


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Relaciones entre RQD/Jn, el factor SRF yel sostenimiento empleado en rocas duras sometidas atensiones elevadas


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Diseño del sistema Q, para Túneles y cavernas de sostenimientopermanente del MNT (Grimstad y Barton 1,993)


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Dimensión Equivalente (De ) =Ancho de la excavación, diámetro o altura (m)

Relación de soporte de la excavación ESR

Tipo de excavación ESR A Excavaciones mineras provisionales 2 - 5

BExcavaciones mineras permanentes, túneles de conducción para obras hidroeléctricas (con laexcepción de las cámaras de alta presión para compuertas), túneles pilotos (exploración),excavaciones parciales para cámara subterráneas grandes.

1.6 - 2

CCámaras de almacenamiento, plantas subterráneas para el tratamiento de aguas, túnelescarreteros y ferrocarriles pequeños, cámara de alta presión, túneles auxiliares. 1.2 - 1.3

D Casa de máquinas, túneles carreteros y ferrocarriles mayores, refugios de defensa civil, portales y cruces de túneles.

0.9 - 1.1

E Estaciones nucleoeléctricas subterráneas, estaciones de ferrocarril, instalaciones para deportey reuniones de fábricas.

0.5 - 0.8

Relación del índice Q, con tensión – resistencia de excavación subterránea ysostenimiento

En la ecuación q = 7 y Q 1/3, se ha supuesto una densidad Y = 2,6 g/cm3.

CLASE VALORACION H (m) q (MPa) FENÓMENO PROBABLE DE

ROCA INDICE Q

A 40 - 1000 Extremad. buena 1196 - 3492 62 - 182 Deformación explosiva.B 10 - 40 Buena 754 - 1196 39 - 62 Descostramiento y lajado de la rocaC 4 - 10 Regular 555 - 754 29 - 39 Fluencia de bloques.D 1 - 4 Mala 350 - 555 18 - 29 Fluencia de bloques.E 0,1 - 1 Muy mala 162 - 350 8,4 - 18 Rotura, trituración y fluencia.

F 0,01 - 0,1 Extremad. mala 76 - 162 3,9 - 8,4 Fluencia, deformación plásticaG 0,001 - 0.01 Excepc. mala 35 - 76 1,8 - 3,9 Fluencia, deformación plástica


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EXCAVACIONES CON TBM

En nuestro país, se han efectuado los siguiente Proyectos:

Primera aplicación en el proyecto Carhuaquero (Chiclayo) a inicios de ladécada de 1980.Pasaron casi 18 años para la siguiente aplicación en el Proyecto Chimay (1998-1999).Luego entre los años 2000-2004 en Proyecto hidroeléctrico de Yuncán, seaplicaron 2 TBM.Sólo un año después de la aplicación en Chimay, en el Proyecto TrasvaseOlmos, que inició desde Febrero del 2007 y culminando las excavaciones enDiciembre del 2011, por una longitud de 13,871.47 m.

Para resumir los aspectos más importantes de esta revisión, se puede

indicar que, en la literatura, existen seis índices relevantes:RQDTBM (Deere), N (Kirsten), RMR TBM (Bieniawski), RMiTBM (Palmstrom), QTBM (Barton) y RME (Bieniawski).

Los más renombrados son el QTBM y RME, que se presenta como losmás útiles de los seis índices examinados, que a continuación

describiremos.


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Q TBM (Barton 2000)

Dónde:

RQD: Designación de calidad de roca.

Jn: Parámetro para describir el número defamilias de discontinuidad

Jr: Parámetro para describir la rugosidad delas juntas

Ja: Parámetro para describir la alteración delas juntas

Jw: Factor de reducción por presencia de

aguas en las juntasSRF: Factor de reducción por esfuerzos(zonas de corte, fluencia, expansividad,tensiones “in situ”)

SIGMA: Resistencia del macizo rocoso(MPa).

F: Fuerza media aplicada por cortador

CLI: Índice de duración de los cortadores, 4para cuarzo y 90 para caliza.

q: Contenido en cuarzo (%) del terreno.

бθ: Índice biaxial del esfuerzo en el túnel auna profundidad de 100 m, aproximadamente(MPa).


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Índice excavabilidad del macizo rocoso (RME) Bieniawski 2009

La selección de los cinco parámetros que integran el RME se ha basado en un proceso de Análisis LinealDiscriminante; que se ha llevado a cabo utilizando el programa denominado “R”, desarrollado por el Departamentode Estadística y Teoría de Probabilidad de la Universidad Tecnológica de Viena.

1. Resistencia a compresión uniaxial de la roca intacta (0 – 15 puntos)

бci (MPa) 180

Puntuación 0 (*1) 10 15 5 0

2.- Perforabilidad (0 – 15 puntos)

DRI >80 80- 65 65 - 50 50 - 40 30 Perpendicular Oblicua Paralela

Puntuación 10 0 5 10 20 15 0 10 5 04. Tiempo de autoestabilidad (0 – 25 puntos)

horas 192

Puntuación 0 2 10 15 25

5. Afluencia de agua (0 – 5 puntos)Litros/seg. >100 70 - 100 30 - 70 Oct-30


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Factor del diámetro de excavación, estádefinido por la expresión:

• Siendo D el diámetro del túnel excavado.

• Los criterios anteriores se han establecido con datos de túneles cuyo diámetro de excavación es del

orden de 10 m; por ello, para poder evaluar la velocidad de avance cuando se construyen túneles con

otro diámetro se propone utilizar un coeficiente corrector, KD, definido por la expresión:

• Algunos valores característicos de KD son los siguientes:

KD = - 0.007D3 + 0.1637D2 – 1.259D + 4.5158


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1.- RMR y Q son los sistemas incorporan parámetros “ingenieriles” geométricos,geológicos, y se obtiene un “VALOR” de la calidad del macizo rocoso másampliamente usados.

CONCLUSIONES

2.- TBM ABIERTAS I.- Para terrenos con σci > 45 MPa

Si σci > 45 MPa

ARA T = 0,839 · RME – 40,8

II.- Para terrenos con σci < 45 MPa

Si σci < 45 MPa

ARA T = 0,324 · RME – 6,8 1. Para terrenos con σci > 45 MPa el avancemedio máximo, es de unos 43 m/día., y en elcaso de que σci


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3.- TBM ESCUDADAS I.-Para terrenos con σci > 45 MPa

Si σci > 45 MPa

ARA T = 10 Ln (RME) – 13

II.- Para terrenos con σci < 45 MPa Si σci < 45 MPa

ARA T = 23 [1 – 242 ]

1. Para terrenos con σci > 45 MPa, el

avance medio máximo estimado es deunos 33 m/día y en el caso de terrenos conσci > 45 MPa este valor desciende a unos23 m/día.

2. Para los terrenos con σci 45 Mpa


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4.- TBM DOBLES-ESCUDOS I.- Para terrenos con σci > 45 Mpa

Si σci > 45 Mpa ARA T = 0,422 • RME – 11,6

II.- Para terrenos con σci < 45 MPa Si σci < 45 Mpa

ARA T = 0,661 • RME – 20,4

1.- Para terrenos con σci > 45 MPa, elavance medio máximo estimado es de unos45 m/día y en el caso de terrenos con σci > 45 MPa este valor desciende a unos 30m/día.

2.- Para terrenos conσci

< 45 MPa yRME < 45, no hay datos de DOBLES-Escudos excavando apoyándose en losgrippers; pues probablemente, para valoresde RME


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